Воссозданы крошечные капли вещества ранней Вселенной

Сталкивая протоны и нейтроны с ядрами золота в рамках проекта PHENIX в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC, США), физикам удалось получить капли ультра-горячей материи, называемой кварк-глюонной плазмой, которая заполняла всю Вселенную в течение первых нескольких микросекунд после Большого взрыва, в момент, когда она была еще слишком горячей, чтобы частицы могли собираться вместе и образовывать атомы. Статья, описывающая эксперименты, представлена в журнале Nature Physics.

«Наш экспериментальный результат приблизил нас к ответу на вопрос о том, какое наименьшее количество вещества могло существовать в ранней Вселенной», – рассказывает Джейми Нейгл, ведущий автор исследования из Колорадского университета (США).

Ученые воссоздают и изучают горячие капли, состоящие из кварков и глюонов – строительных блоков протонов и нейтронов, – чтобы раскрыть тайну фундаментальной силы, которая удерживает эти частицы вместе в видимой материи.

Впервые исследование такого вещества на RHIC началось в 2000 году. Тогда физики столкнули тяжелые ядра атомов золота, создав температуру в триллионы градусов Цельсия. Несколько лет спустя другая группа исследователей сообщила, что, по-видимому, они создали кварк-глюонную плазму не путем столкновения атомов, а в ходе столкновения только двух протонов. Это было удивительно, потому что большинство теорий предполагало, что одиночные протоны не могли выпустить достаточно энергии, чтобы произвести нечто, способное течь как жидкость.

Джейми Нейгл и его коллеги разработали способ проверить эти результаты: если такие крошечные капельки ведут себя как жидкость, то они должны сохранять свою форму.

«Представьте, что у вас есть две капли, которые расширяются в вакууме. Если они находятся близко друг к другу, то, разрастаясь, капли сталкиваются, вырисовывая определенную фигуру. Другими словами, если вы бросите два камня в пруд, рябь от них будет пересекаться, образуя рисунок, напоминающий эллипс. То же самое может происходить, если вы столкнули протон-нейтронную пару, называемую дейтроном, или протон-протон-нейтронное трио, также известное как атом гелия-3, который должен расширяться во что-то похожее на треугольник», – пояснил Джейми Нейгл.

Это именно то, что обнаружил эксперимент PHENIX: столкновения дейтронов с движущимися в противоположном направлении почти со скоростью света ядрами золота образовывали капли в форме эллипса, атомы гелия-3 создавали треугольники, а один протон – круг. Результат, по словам ученых, полностью согласуется с предсказанием теоретических моделей и подтверждает, что крошечные снаряды действительно создавали идеальную жидкую кварк-глюонную плазму.

Исследователи отмечают, что полученные данные помогут физикам лучше понять, как исходный первичный суп из кварков и глюонов, наполняющий Вселенную, охлаждался и рождал первые атомы.